Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Nano ZnO Từ Than Hoạt Tính Ứng Dụng Xử Lý Ciprofloxacin Trong Môi Trường Nước

Ciprofloxacin (CFX) là một loại kháng sinh fluoroquinolone được sử dụng rộng rãi trong y tế và thú y. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi này dẫn đến sự tồn tại của CFX trong môi trường nước, gây ra những lo ngại về sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Ô nhiễm Ciprofloxacin có thể thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, làm giảm hiệu quả điều trị bệnh. Việc loại bỏ CFX khỏi nguồn nước là vô cùng cấp thiết. Nghiên cứu đã chỉ ra, CFX có thời gian bán hủy khá dài trong môi trường nước.

Vật liệu nano ZnO có nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống trong xử lý nước. Kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn và khả năng quang xúc tác cao giúp ZnO có thể hấp phụ Ciprofloxacin và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khác một cách hiệu quả. Ngoài ra, ZnO tương đối rẻ tiền và dễ tổng hợp, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phương pháp xử lý nước. Nghiên cứu của Tống Thị Loan (2022) cho thấy ZnO có độ rộng vùng cấm phù hợp cho quang xúc tác.

Sự kết tụ của các hạt nano ZnO làm giảm đáng kể diện tích bề mặt than hoạt tính tiếp xúc với chất ô nhiễm, từ đó làm giảm hiệu quả hấp phụ Ciprofloxacin. Việc phân tán ZnO trên một nền vật liệu có diện tích bề mặt lớn như than hoạt tính là một giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề này. Điều này giúp duy trì kích thước hạt nano và tăng cường khả năng tiếp xúc với Ciprofloxacin. Sự kết tụ làm giảm khả năng tái sử dụng vật liệu.

Việc thu hồi vật liệu nano ZnO sau quá trình xử lý nước là một thách thức lớn. Các hạt nano có kích thước rất nhỏ, khó thu hồi bằng các phương pháp thông thường như lọc. Việc sử dụng than hoạt tính làm nền giúp cố định ZnO, tạo thành một vật liệu hấp phụ dễ thu hồi và tái sử dụng. Điều này giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững của quy trình xử lý Ciprofloxacin.

Than trấu là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và dồi dào. Quá trình hoạt hóa than trấu bao gồm các bước: rửa sạch, sấy khô, nhiệt phân và hoạt hóa bằng hóa chất hoặc nhiệt. Quá trình này tạo ra một than hoạt tính có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Diệt tích bề mặt than hoạt tính là yếu tố quan trọng trong quá trình hấp phụ.

Phương pháp hóa siêu âm là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp vật liệu nano ZnO với kích thước và hình dạng được kiểm soát. Quá trình này sử dụng sóng siêu âm để tạo ra các bong bóng cavitation, tạo điều kiện cho phản ứng hóa học diễn ra nhanh chóng và đồng đều. Kết quả là các hạt nano ZnO có kích thước hạt nano ZnO nhỏ và độ tinh khiết cao.

Sau khi tổng hợp nano ZnO và than hoạt tính, hai vật liệu này được kết hợp với nhau thông qua quá trình ủ nhiệt. Quá trình này giúp ZnO phân tán đều trên bề mặt than hoạt tính, tạo ra một vật liệu nanocomposite ZnO/C có tính chất vượt trội. Nhiệt độ ủ và thời gian ủ là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu hấp phụ.

Ảnh hưởng pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ciprofloxacin của vật liệu hấp phụ. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu nano ZnO và độ tan của Ciprofloxacin. Thường thì, hiệu quả hấp phụ cao nhất đạt được ở một khoảng pH nhất định, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và chất ô nhiễm. Dựa trên nghiên cứu, sự phân hủy Ciprofloxacin phụ thuộc vào độ pH.

Nồng độ Ciprofloxacin ban đầu ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng hấp phụ của vật liệu nanocomposite ZnO/C. Ở nồng độ thấp, vật liệu có đủ vị trí hấp phụ để loại bỏ Ciprofloxacin hiệu quả. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, các vị trí hấp phụ có thể bị bão hòa, làm giảm hiệu quả xử lý Ciprofloxacin. Dựa trên kết quả, việc xác định nồng độ ban đầu rất quan trọng để đánh giá chất xúc tác.

Liều lượng vật liệu hấp phụ là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả xử lý Ciprofloxacin. Tăng liều lượng vật liệu có thể làm tăng số lượng vị trí hấp phụ và tăng tốc độ loại bỏ Ciprofloxacin. Tuy nhiên, vượt quá một liều lượng nhất định có thể không mang lại hiệu quả đáng kể và làm tăng chi phí. Cần xác định liều lượng tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu đã chỉ ra, khối lượng vật liệu quang xúc tác ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý Ciprofloxacin.

Khả năng tái sử dụng vật liệu là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính bền vững của quy trình xử lý Ciprofloxacin. Nghiên cứu cho thấy vật liệu nanocomposite ZnO/C có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả hấp phụ. Quá trình tái sinh vật liệu có thể được thực hiện bằng cách rửa vật liệu bằng dung môi hoặc nung ở nhiệt độ cao.

Cơ chế hấp phụ Ciprofloxacin của vật liệu nanocomposite ZnO/C có thể bao gồm các quá trình: hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và quang xúc tác. Than hoạt tính cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp phụ Ciprofloxacin, trong khi nano ZnO có khả năng quang xúc tác, phân hủy Ciprofloxacin dưới tác dụng của ánh sáng. Việc nghiên cứu cơ chế hấp phụ giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý.

Nghiên cứu này tập trung vào xử lý Ciprofloxacin, nhưng cần mở rộng nghiên cứu với các loại kháng sinh khác để đánh giá tính ứng dụng rộng rãi của vật liệu nanocomposite ZnO/C. Các loại kháng sinh khác nhau có thể có các đặc tính hóa học khác nhau, ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và phân hủy. Do đó, cần điều chỉnh quy trình tổng hợp vật liệu để tối ưu hóa hiệu quả xử lý cho từng loại kháng sinh.

Các thí nghiệm trong nghiên cứu này được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm. Cần nghiên cứu ứng dụng vật liệu trong điều kiện thực tế, ví dụ như xử lý nước thải từ bệnh viện hoặc trang trại chăn nuôi. Điều kiện thực tế có thể phức tạp hơn, với sự hiện diện của các chất ô nhiễm khác có thể ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Ciprofloxacin. Sự phân hủy Ciprofloxacin là một quá trình phức tạp, cần được nghiên cứu sâu hơn.